摘 要

BaTiO₃具有优异的介电和铁电性能，是多层陶瓷电容器（MLCC）的主要介质材料。目前MLCC的发展趋势是微型化以及高温度稳定性，因此迫切需要减少介质层厚度和对BaTiO₃陶瓷进行改性来满足未来应用的要求。“核-壳”结构在改性BaTiO₃制备满足一定性能要求的MLCC上起着重要的作用，本文通过制备不同尺寸的BaTiO₃粉体，并对其表面改性，通过包覆形成“核-壳”结构调整材料的介电温度稳定性。

本文首先采用改进的醇盐氢氧化物溶胶沉淀法制备立方BaTiO₃纳米粉体。通过在制备过程中加入表面活性剂改性，有效改善了粉体的团聚问题，得到了不同尺寸的BaTiO₃纳米粉体。通过XRD和SEM对粉体的性能进行了表征，研究了表面活性剂对BaTiO₃纳米粉体制备的影响及作用规律。这些不同尺寸、纯度较高、分散性较好的改性BaTiO₃纳米粉体可以作为下一步包覆的核层材料。

0.3Bi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃-0.7BaTiO₃（以下简称0.3BZT-0.7BT）固溶体对BaTiO₃陶瓷高温端介电温度稳定性有较好的改性作用。因此，本文以不同尺寸的BaTiO₃粉体为核，通过溶胶凝胶法制备了BT@0.7(0.3BZT-0.7BT)，重点研究了核层晶粒尺寸对陶瓷物相结构、显微形貌和介电性能的影响。研究结果表明，随着陶瓷平均晶粒尺寸的减小，介电常数随之减小，介温曲线变得更加平坦。当陶瓷平均晶粒尺寸为300nm时，室温介电常数为1229，室温介电损耗仅3.21%，容温变化率满足ΔC/C_25℃≤±15%的温度范围为-7~195℃，高温端能满足X8R特性MLCC的温度稳定性要求。

关键词：钛酸钡；“核-壳”结构；晶粒尺寸；介电性能

Abstract

The outstanding dielectric and ferroelectric properties of BaTiO₃ make it to be the desirable dielectric material in multilayer capacitors (MLCC). The present development trends of the MLCC are miniaturization and high dielectric temperature reliability. It’s urgently needed to decrease the thickness of dielectric layer and modify the BaTiO₃ ceramics to meet the requirements of further applications. The “core-shell” structure of BaTiO₃ ceramic plays an important role in the preparation of MLCC. In this paper, different size of BaTiO₃ powders were synthesized and surface modified, and the “core-shell” structure was formed by coating to improve the dielectric temperature reliability.

A modified alkoxide-hydroxide sol-precipitation method developed to synthesize cubic barium titanate powders with different particle size. The nano-powders of barium titanate with different size can be obtained and modified by adding the surfactants during the preparing process, and the agglomeration can be improved effectively. XRD and SEM were employed to investigate the influence of the surfactants on the preparation of BaTiO₃ powders. The obtained modified cubic barium titanate nano-powders with different size, high purity and good dispersion are suitable as the core materials in the next coating step.

0.3Bi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃-0.7BaTiO₃（0.3BZT-0.7BT）solid solutions with good dielectric temperature stability on the high temperature end was chosen to be a coating composition in this paper. BT@0.7(0.3BZT-0.7BT) ceramics were synthesized by sol-gel method, and the different size of BaTiO₃ powders were used as the core materials. The effect of grain size on the phase structures, microstructures and dielectric properties of ceramics were mainly studied. According to the results, by reducing the average grain size, a decrease of the dielectric constant was observed, and the dielectric curve became more flat. The optimal property was achieved when average grain size≈300nm, with ε=1229, tanδ=3.21% at the room temperature, ΔC/C_25℃≤±15%(-7~195℃) at 1kHz frequency meeting the requirements of the high end of X8R capacitor.

Key Words: barium titanate；“core-shell”structure；grain size；dielectric properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 BaTiO₃结构、性能与改性机理 1

1.1.1 BaTiO₃的晶体结构 1

1.1.2 BaTiO₃的介电性能 2

1.1.3 BaTiO₃的改性机理 3

1.2 BaTiO₃粉体的制备 4

1.2.1 BaTiO₃粉体的制备方法 5

1.2.2 表面活性剂在BaTiO₃粉体制备中的应用 6

1.3 BaTiO₃的“核-壳”结构 6

1.4 材料体系选择 7

1.5 论文研究目的及内容 8

第2章 陶瓷的制备方法及其结构与性能测试方法 9

2.1 陶瓷制备中的原料及仪器设备 9

2.2 制备工艺 9

2.2.1 醇盐氢氧化物溶胶沉淀法制备BaTiO₃粉末 9

2.2.2 湿化学法制备BaTiO₃@0.7[0.3Bi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃-0.7BaTiO₃]陶瓷 10

2.3 测试方法与原理 12

2.3.1体积密度 12

2.3.2 X射线衍射分析（XRD） 12

2.3.3 扫描电子显微分析（SEM） 13

2.3.4 透射电子显微分析（TEM） 13

2.3.5 介电性能 13

第3章 BaTiO₃纳米粉体的制备与表征 14

3.1 BaTiO₃纳米粉体的物相结构 14

3.2 BaTiO₃纳米粉体的显微形貌 16

3.3 本章小结 18

第4章 0.3Bi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃-0.7BaTiO₃包覆改性不同尺寸BaTiO₃制备与介电性能研究 19

4.1 实验路线 19

4.2 0.3BZT-0.7BT包覆不同BT尺寸粉体的物相结构与显微形貌 21

4.2.1 物相结构 21

4.2.2 显微形貌 22

4.3 0.3BZT-0.7BT包覆不同BT尺寸陶瓷的物相结构与显微形貌 23

4.3.1 物相结构 23

4.3.2 显微形貌 23

4.4 0.3BZT-0.7BT包覆不同BT尺寸陶瓷的介电性能 25

4.4.1 介温谱 25

4.4.2 容温特性 27

4.5 本章小结 27

第5章 结论 29

参考文献 30

致谢 34

第1章 绪论

1.1 BaTiO₃结构、性能与改性机理

1.1.1 BaTiO₃的晶体结构

BaTiO₃属于钙钛矿型结构，是一种典型的铁电材料，理想情况下其晶体结构属于立方晶系，如图1.1所示。结构中半径较大的Ba² 位于顶角，和位于面心的O^2-离子一起构成面心立方堆积，Ti⁴ 占据6个O^2-组成的八面体空隙的中间，Ti⁴ 和O^2-离子以共顶方式连接构成[TiO₆]八面体，同时形成Ti-O-Ti线性链于[001]方向。每个Ti⁴ 的周围包围有6个O^2-，所以Ti⁴ 的配位数是6；每个Ba² 的周围包围有12个O^2-，所以Ba² 的配位数为12。

图1.1 BaTiO₃的晶体结构

Fig.1.1 Crystal structure of BaTiO₃